[发明专利]用于地热冷却安装在地下环境中的电子装置的设备和方法

说明书

相关申请

本专利申请要求2012年9月7日提交的名称为“设计成用于地下安装的地热冷却的计算机硬件系统”的美国临时申请61/698,365的优先权。

技术领域

本发明涉及一种用于地热冷却电子装置(包括但不限于计算机系统)的系统和方法，其通过将电子装置安装在地下环境(例如钻孔、挖掘洞穴或水体)中而实现。

背景技术

大型数据中心通常在地上建筑中以高密度的构造(并排架，每个架上具有多个计算节点)容纳数百或数千个计算机系统。某些来源估计，数据中心的电力消耗中高达50％用来冷却计算机系统运行所处的环境。

计算装置的内部电子部件产生的热长久以来一直是确定计算机系统的整体设计的重要因素。在早期个人计算机设计中，最常用的热耗散形式是发热的集成电路芯片与诸如铝的传递热的质量体之间直接物理接触，没有通常由电风扇产生的空气紊流来使冷却空气循环通过计算机系统壳体的内部空间。在20世纪40年代和50年代的早期大型计算系统中，热耗散主要包括壳体中的通风孔，之后是周围空气风扇和吹风机，它们通过强制空气对流而进行冷却。

Zelina在美国专利号3,566,958(1971年)中描述了一种将热导体热联接到集成电路芯片的手段，但是没有解决如何将传热材料中所含的热传递离开电气装置周围的空间的问题。在Rathjen的美国专利号3,648,113(1972年)中描述了叠堆平面电子装置的手段(平面之间具有间距)，以及利用跨越平坦表面的流体流冷却整个组件的手段；冷却流体离开整个组件，由此将热传递离开发热的电子器件。Austin在美国专利号3,737,728(1973年)中公开了一种安装结构，用于易碎的发热装置(例如在计算机设备中使用的装置)，以及传热的均匀性和热远离核心组件区域的良好热耗散。在美国专利号3,865,183(1975年)中将这些理念进行了组合，在该专利中，Roush描述了一种更加综合性的手段，利用流体流从组件移除热能，而将整个计算机组件构造成模块中的各个电路板具有良好的热耗散特性。

随着计算装置中的半导体密度持续增大，装置逐渐地产生更多的热。从20世纪80年代开始，主要通过使用液体而在计算机系统的除热能力方面取得了一系列的进展。Oktay在1980年(美国专利号4,203,129)描述了将散热器粘接到发热电子装置的表面，并且将散热器的其它表面浸没在液体中，该液体循环通过散热器材料中的通道。这种创新技术被其他人用得太多，因此发明人并不提及专利号，包括：使计算机的CPU设置有夹套并且将液体冷却剂与CPU夹套直接接触，利用或者不利用泵来使得液体进行循环；用于一个或多个CPU或其它发热电子部件的越来越复杂的阀以及其它电子控制的多余冷却部件；用于输送液体冷却剂的通道和管道的各种设计；闭环和开环系统，在环外壳之间具有物理接触并且在它们之间具有不同程度的流体交换。

地表以下的冷却能力长久以来被认为是冷却居住环境的系统的潜在的节能特征。因为地表以下在指定深度处基本上保持恒定的温度，并且地面以下的岩石和/或自流出的质量和体积是巨大的，所以热可以与较热的地面流体进行交换以提供冷却，或者可以与较冷的地面流体进行交换以提供加热。Vignal和Chapuis在美国专利号3,965,694(1976年)中描述了经由埋在地里钻出的深孔中的U形管线或管道与地面以下进行热交换的手段；它们的设计涉及用于加热或冷却地面以上的空气的系统。于是，许多装置已经公开了在空气调节设计的各个方面的改进，并且在地面以上的流体与地下岩石或液体之间提供更加有效的热传递。

使用地下热容量以控制电子设备的操作温度公开于以下专利：Enlund的美国专利号6,397,933(2002年)，其中设备安装在工位中；Kidwell和Fraim的美国专利号7,363,769(2008年)，其中在电磁信号传输/接收塔的基部处进行电子设备的冷却。Kidwell和Fraim公开的主题描述了利用同轴流动热交换结构以调节安装在电磁信号传输/接收塔的基部壳体中的发热电子器件的温度的方法和设备。利用从地面到地下环境并返回到地面的流体流回路来实现热传递。Chainer在美国专利申请号2013/0081781中描述了用于数据中心冷却的系统，其中热传递流体被从数据中心的室内空间移除并经由环境空气和地热热交换过程进行冷却。